第一講國(guó)內(nèi)外放頂煤技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

一．國(guó)外放頂煤技術(shù)應(yīng)用概況作為開采厚及特厚煤層主要方法之一的放頂煤開采技術(shù)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的發(fā)展歷史.20世紀(jì)初法國(guó)、西班牙和南斯拉夫等國(guó)在急傾斜煤層中應(yīng)用放頂煤開采法,在50年代末60年代初，隨著液壓支架技術(shù)的發(fā)展成熟，原蘇聯(lián)、法國(guó)、南斯拉夫等國(guó)正式采用了放頂煤開采厚煤層的技術(shù)。隨后羅馬尼亞、匈牙利、捷克、西班牙、美國(guó)、韓國(guó)都相繼引用了這種厚煤層開采方法。由于受到煤炭資源不斷減少和放頂煤開采技術(shù)不過關(guān)等因素的影響，導(dǎo)致放頂煤開采技術(shù)在國(guó)外未能得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。二．我國(guó)放頂煤技術(shù)的蓬勃發(fā)展綜合機(jī)械化放頂開采技術(shù)是高產(chǎn)高效開采厚煤層的有效方法，是我國(guó)在20世紀(jì)80年代中期迅速發(fā)展起來的一種新型采煤方法。在20世紀(jì)90年代中期以前，放頂煤開采技術(shù)主要用于條件簡(jiǎn)單的厚煤層中。為了開拓放頂煤開采技術(shù)的應(yīng)用范圍，從1995年起，在具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的厚煤層、極軟厚煤層、大傾角厚煤層、堅(jiān)硬煤體與堅(jiān)硬難冒頂板條件厚煤層中系統(tǒng)地研究和創(chuàng)造性地開發(fā)了綜放開采技術(shù).2006年龍口礦區(qū)北皂煤礦首次在海域下試驗(yàn)采用放頂煤開采技術(shù)，這是世界上第1個(gè)海域下綜放開采工作面。

目前我國(guó)放頂煤開采技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。它的優(yōu)點(diǎn)及在生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的顯著的經(jīng)濟(jì)效益決定了它成為開采厚煤層的最有效方法之一。使用條件由初期的緩傾斜煤層發(fā)展到傾斜、急傾斜煤層，由開采條件較好的穩(wěn)定煤層發(fā)展到條件較差的“三軟”、“兩硬”、“不穩(wěn)定”煤層，其中以緩傾斜厚煤層工作面的效果最明顯。幾年來，相繼研制成功了綜采放頂煤液壓支架，端頭放頂煤支架和電液程序控制液壓支架、在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備配套進(jìn)行了優(yōu)化配置、確定了不同條件下煤炭采出率最佳放煤參數(shù)和最佳放煤工藝，使綜放工作面生產(chǎn)能力達(dá)到600萬噸以上。解決了三軟煤層、高瓦斯煤層、大傾角煤層、兩硬煤層以及復(fù)雜地質(zhì)條件下的較薄厚煤層綜放開采中的一系列技術(shù)難題，在綜放技術(shù)適應(yīng)性研究方面取得了重大突破，形成了適應(yīng)于不同地質(zhì)和煤層賦存條件的綜放成套技術(shù)，使該技術(shù)居國(guó)際領(lǐng)先水平，在全國(guó)各類礦區(qū)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，取得了極其顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)綜放技術(shù)使用的數(shù)量、范圍、技術(shù)的先進(jìn)性和取得的效果均居世界領(lǐng)先地位。

我國(guó)放頂煤開采主要是指長(zhǎng)壁工作面綜合機(jī)械化放頂煤開采，其發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段：1．探索階段（1982～1990年）這一階段結(jié)束的標(biāo)志是陽泉緩傾斜厚煤層放頂煤綜采工藝的試驗(yàn)成功。特別是陽泉一礦8603工作面，1990年7月月產(chǎn)14萬噸，效率57.8t/工，起到了示范作用。這一階段，東北各煤礦以及鄭州等地在難采煤層長(zhǎng)壁綜放開采領(lǐng)域都進(jìn)行了試驗(yàn)開采，但沒有大的突破。2．逐漸成熟階段（1990～1995年）主要標(biāo)志：兗州興隆莊綜采一隊(duì)1994年產(chǎn)煤272萬噸，1995年突破300萬噸。同時(shí)，難采煤層長(zhǎng)壁綜放開采技術(shù)取得重大突破。主要成果：（1）高產(chǎn)高效工藝逐漸成熟，工作面單產(chǎn)不斷提高。（2）放頂煤液壓支架由仿造發(fā)展到自創(chuàng)，進(jìn)而到定型。（3）綜放開采在“三軟”、“大傾角（30o左右）”、高瓦斯等難采煤層中取得突破。（4）初步摸清并提出了解決提高回采率、防治瓦斯、防治自燃和防塵的一些措施，取得了一定的成果。3．技術(shù)成熟的推廣階段（1996年～）隨著國(guó)家對(duì)放頂煤開采技術(shù)研究的投入加大，綜放的高產(chǎn)高效得到了企業(yè)的認(rèn)可與支持，綜放開采的優(yōu)勢(shì)得到了進(jìn)一步的發(fā)揮。這一階段綜放在兩種不同的情況下都得到了發(fā)展。（1）煤層厚度大、儲(chǔ)量大、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、瓦斯不大、煤質(zhì)中硬的大型、特大型礦井。（2）生產(chǎn)能力小、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦井，特別是一些難采煤層，如“三軟”、“兩硬”、“大傾角”、“高瓦斯”、“較薄厚煤層”等條件，綜放得到了發(fā)展。三、我國(guó)放頂煤技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)綜合機(jī)械化放頂煤厚煤層開采技術(shù)，在我國(guó)經(jīng)過20多年的探索與發(fā)展，已成為厚煤層開采礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效和“一礦一面”的集約化生產(chǎn)的主要技術(shù)途徑之一。綜放工作面單產(chǎn)逐年創(chuàng)新高，在潞安、晉城、充州礦區(qū)相繼出現(xiàn)年產(chǎn)超過200萬t～500萬在的綜放工作面。目前，綜放工作面單產(chǎn)最高水平已達(dá)到600萬t／a以上，直接工效在300t／工以上。1提高綜放工作面放頂煤能力要提高綜放工作面綜合出煤能力，就必須滿足采、放煤工序最大限度的平行作業(yè)，即放頂煤平均循環(huán)時(shí)間小于采煤機(jī)平均割煤循環(huán)時(shí)間，否則采煤機(jī)就要停機(jī)等待放頂煤工序。當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，后部刮板輸送機(jī)能力和放煤速度將成為關(guān)鍵因素。為此，一是要實(shí)現(xiàn)前后部刮板輸送機(jī)能力協(xié)調(diào)；二是要加大液壓支架后部放煤空間及放煤口開啟和關(guān)閉操作速度。這樣就需要進(jìn)一步改進(jìn)工藝和裝備，確定合理的放煤步距和放煤方式，并根據(jù)綜放采場(chǎng)煤、巖石力學(xué)特性與狀態(tài)變化及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)和使用不同條件下的支架，有效地控制頂煤狀態(tài)變化、移動(dòng)、放落。2、研究新型放頂煤液壓支架，發(fā)揮放頂煤開采高產(chǎn)高效的特點(diǎn)

我國(guó)存在大量地質(zhì)條件復(fù)雜的難采煤層，其開采存在機(jī)械化水平低、效益差、安全性差的缺點(diǎn)。針對(duì)這些情況，近年來為著重解決復(fù)雜地質(zhì)煤層條件下及不穩(wěn)定煤層使用綜放時(shí)遇到的困難，一批新型輕放支架的研制和開發(fā)利用，在實(shí)際中取得了良好的效果。它的主要特點(diǎn)為：支架具有整體頂梁、長(zhǎng)側(cè)護(hù)板、內(nèi)伸縮梁（有護(hù)幫作用）結(jié)構(gòu)，能全封閉端面頂板；支架后部為單鉸接機(jī)構(gòu)，放煤時(shí)，后部放煤及過煤空間不因采高的變化和頂梁工作狀態(tài)而改變；支架后部掩護(hù)梁設(shè)計(jì)為彎曲折線形狀以減少對(duì)破碎頂煤與破碎頂板之間的煤巖分界面的擾動(dòng)，以降低頂煤放出時(shí)的含矸率和提高回收率；支架后柱具有雙伸縮功能，可以有效地調(diào)節(jié)頂梁工作狀態(tài)，以保持與相鄰支架共同封閉頂板；支架結(jié)構(gòu)緊湊，總體及部件尺寸小，重量輕，制造成本低，便于安裝、運(yùn)輸，支護(hù)強(qiáng)度較高。我國(guó)厚煤層儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的44％，其中多數(shù)為難采煤層。這種新型支架不僅可在大型礦井正常生產(chǎn)的工作面使用，而且還可用于礦井邊緣地區(qū)，以及構(gòu)造形成的呆滯煤帶和其他煤柱的回收，應(yīng)用范圍廣泛。3、加大工作面長(zhǎng)度

由于采煤工作面推進(jìn)速度加快，為了減少采煤機(jī)斜切進(jìn)刀時(shí)間和工作面端口作業(yè)影響時(shí)間，提高有效開機(jī)率，必須加大工作面長(zhǎng)度，這樣不僅可以延長(zhǎng)工作面連續(xù)推進(jìn)時(shí)間，保證工作面穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，而且還可以相對(duì)減少上下端頭頂煤的損失率，提高回采率。但工作面長(zhǎng)度過長(zhǎng)，也會(huì)帶來礦壓加大、煤壁片幫嚴(yán)重及設(shè)備配套等一系列問題，也是需要在實(shí)際中研究解決的問題。4、大功率裝備的國(guó)產(chǎn)化配套

近幾年，我國(guó)大型采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等國(guó)產(chǎn)設(shè)備，通過引進(jìn)、消化和吸收，已經(jīng)逐步達(dá)到國(guó)外上個(gè)世紀(jì)90年代初的水平。但是，一些主要元部件的制造還沒有過關(guān)，開采設(shè)備的研究開發(fā)跟不上形勢(shì)的發(fā)展和要求，尤其是大功率、可靠性高的設(shè)備，與國(guó)外有很大差距。隨著礦井大規(guī)模集中化生產(chǎn)的發(fā)展，大功率、高性能的設(shè)備是必不可少的。雖然國(guó)內(nèi)已開發(fā)出一些大型設(shè)備，但是體積大、重量大、性能差的問題仍然比較突出。5、完善高產(chǎn)高效綜采設(shè)備保障系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，就要提高開機(jī)率，對(duì)“支架一圍巖’系統(tǒng)、采運(yùn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。今后研究的重點(diǎn)是：通過電液控制閥組操縱支架和改善“支架一圍巖’系統(tǒng)控制，進(jìn)一步完善液壓信息、支架位態(tài)、頂板狀態(tài)、支護(hù)質(zhì)量信息的自動(dòng)采集系統(tǒng)；完善乳化液泵站及液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)診斷；完善采煤機(jī)在線與離線相結(jié)合的“油一磨屑”監(jiān)測(cè)和溫度、電信號(hào)的監(jiān)測(cè)以及帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)全面狀態(tài)監(jiān)控。6、煤巷快速掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)

放頂煤開采的回采巷道需要適應(yīng)回采工作面快速推進(jìn)的要求，但由于其斷面大，并且多在煤層中維護(hù)，其支護(hù)困難也是放頂煤開采的一個(gè)突出的問題。在我國(guó)的一些礦區(qū)正在采用綜放工作面全煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù)，但是由于現(xiàn)有的設(shè)備不適應(yīng)，掘進(jìn)速度和效率不高，片幫嚴(yán)重，這也是需要解決的一個(gè)問題。7、優(yōu)化巷道布置，減少矸石排放

改進(jìn)、完善現(xiàn)有采煤方法和開采布置，以實(shí)現(xiàn)開采效益最大化為目標(biāo)，研究開發(fā)煤礦地質(zhì)條件、開采巷道布置及工藝技術(shù)評(píng)價(jià)體系專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開采方法、開采布置與煤層地質(zhì)條件的最優(yōu)匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，神華集團(tuán)大柳塔礦、潞安漳村礦實(shí)行全煤巷布置單一煤層開采，矸石基本不運(yùn)出地面，生產(chǎn)系統(tǒng)極大簡(jiǎn)化，分別實(shí)現(xiàn)無軌膠輪和單軌吊輔助運(yùn)輸一條龍，從井口直達(dá)工作面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了綜采與綜掘同步發(fā)展，生產(chǎn)效率大幅提高。根據(jù)高產(chǎn)高效礦井開拓部署與巷道布置系統(tǒng)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化巷道布置，優(yōu)化采區(qū)及工作面參數(shù)，掌握單一煤層集中開拓、集中準(zhǔn)備、集中回采的關(guān)鍵技術(shù)，大幅度降低巖巷掘進(jìn)率，多開煤巷，減少出矸率；矸石在井下直接處理，作為充填材料，既可以減少污染，又簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，有利于高產(chǎn)高效集中化開采。8、提高煤炭回采率、降低含矸率提高資源回采率是綜放工作面的主要問題之一。加強(qiáng)對(duì)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律和冒放規(guī)律的研究，確定合理的放煤工藝參數(shù)和支架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工作面參數(shù)，有助于提高回采率。9、礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)與運(yùn)量配套問題

在厚煤層開采實(shí)踐中，輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的落后和低效率是存在的重要問題。當(dāng)前輔助運(yùn)輸設(shè)備主要有單軌吊車、卡軌車、齒軌車和無軌膠輪車等4類。驅(qū)動(dòng)方式主要有鋼絲繩牽引、柴油機(jī)牽引和蓄電池機(jī)車牽引等3類。從發(fā)展趨勢(shì)看，采用無軌膠輪運(yùn)輸成為主流。根據(jù)厚煤層現(xiàn)代開采體系建立的要求，今后輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是建立大型、高效的機(jī)械化運(yùn)輸體系。對(duì)于沒有底鼓現(xiàn)象的礦井，可發(fā)展卡軌車、齒軌車等，以形成單一的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。要圍繞簡(jiǎn)化輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，減少作業(yè)工人，減少巖石巷道，規(guī)范礦井的下井材料和設(shè)備等方面進(jìn)行管理。10、采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)

進(jìn)一步完善采場(chǎng)圍巖控制理論，以科學(xué)合理優(yōu)化高效的巖層控制技術(shù)來保證開采活動(dòng)的安全、高效、低成本。深入總結(jié)我國(guó)幾十年的礦山壓力研究成果，實(shí)現(xiàn)理論分析、現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)和實(shí)測(cè)法相結(jié)合，應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，深入研究各種煤層地質(zhì)及開采條件，如急傾斜、大采高、大采深采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖破壞與平衡機(jī)理，不斷完善采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)。研究堅(jiān)硬頂板與破碎頂板條件下應(yīng)用高新技術(shù)。低成本巖層控制技術(shù)。由于應(yīng)用高壓注水、深孔預(yù)裂爆破處理堅(jiān)硬頂板和應(yīng)用化學(xué)加固技術(shù)存在工藝復(fù)雜、成本高的問題，因而需進(jìn)一步研究開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新材料來解決這些問題。放頂煤開采巖層和支架一圍巖相互作用機(jī)理是采場(chǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，研究放頂煤開采力學(xué)模型、圍巖應(yīng)力、頂煤破碎機(jī)理。支架一頂煤一直接頂一基本頂相互作用關(guān)系；研究頂煤放落規(guī)律，提出放煤優(yōu)化準(zhǔn)則和提高頂煤回收率的途徑。11、支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及

沖擊地壓的預(yù)測(cè)和防治

在總結(jié)緩傾斜中厚長(zhǎng)壁工作面開展支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面，應(yīng)進(jìn)一步在堅(jiān)硬頂板、破碎頂板、急傾斜、放頂煤工作面方面開展支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)應(yīng)不斷完善現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)展智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改進(jìn)監(jiān)測(cè)儀表，使監(jiān)測(cè)儀表向直觀、輕便、小型化方向發(fā)展。通過計(jì)算機(jī)模擬研究沖擊性礦壓顯現(xiàn)發(fā)生的機(jī)理，進(jìn)一步完善沖擊性礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)展遙控測(cè)量和預(yù)報(bào)技術(shù)，完善沖擊性礦壓綜合防治措施的優(yōu)化選擇專家系統(tǒng)。12、加強(qiáng)煤層自然發(fā)火的防治，加大開采強(qiáng)度，縮短開采時(shí)間

過去采用厚煤層分層回采時(shí)，由于開采強(qiáng)度低，開采時(shí)間長(zhǎng)，殘留煤柱多，采空區(qū)漏風(fēng)難以控制，常常發(fā)生煤炭自燃，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。采用綜放技術(shù)開采，上述狀況有所改善，但是新